Gli animali possono anche immaginare. Ecco come fanno i ratti

I ricercatori del Janelia Research Campus dell’HHMI, in uno studio pubblicato su Science, hanno dimostrato che anche gli animali possiedono un’immaginazione. Una squadra di ricerca dei laboratori Lee e Harris ha sviluppato un sistema innovativo che combina la realtà virtuale e un’interfaccia cervello-macchina per sondare i pensieri interiori del ratto.

I ratti e l’immaginazione

Gli scienziati hanno scoperto che, come gli esseri umani, gli animali possono pensare a luoghi e oggetti che non si trovano davanti a loro, utilizzando i loro pensieri per immaginare di camminare verso un luogo o per immaginare di spostare un oggetto remoto in un punto specifico.

Come gli esseri umani, quando i roditori sperimentano luoghi ed eventi, nell’ippocampo, un’area del cervello responsabile della memoria spaziale, si attivano specifici modelli di attività neurale. Il nuovo studio ha scoperto che i ratti possono generare volontariamente questi stessi schemi di attività e farlo per ricordare luoghi lontani dalla loro posizione attuale. «Il ratto può effettivamente attivare la rappresentazione di luoghi nell’ambiente senza andarci», ha detto Chongxi Lai, post dottorando nei laboratori Harris e Lee e primo autore di un articolo che descrive le nuove scoperte: «Anche se il suo corpo fisico è fisso, i suoi pensieri spaziali possono andare in un luogo molto lontano».

Questa capacità di immaginare luoghi lontani dalla propria posizione attuale è fondamentale per ricordare eventi passati e immaginare possibili scenari futuri», ha continuato Lai. Il nuovo lavoro, secondo gli autori, dimostra che gli animali, come gli esseri umani, possiedono una forma di immaginazione. «Immaginare è una delle cose più straordinarie che gli esseri umani possano fare; ora abbiamo scoperto che anche gli animali possono farlo e abbiamo trovato un modo per studiarlo», ha spiegato Albert Lee, ex leader del gruppo Janelia e ora ricercatore HHMI presso il Beth Israel Deaconess Medical Center.

Il progetto è iniziato nove anni fa, quando Lai è arrivato a Janelia come studente laureato con l’idea di verificare se un animale potesse pensare. Il suo referente, Tim Harris, suggerì a Lai di parlare con Lee, il cui laboratorio si occupava di fornire risposte a domande simili. Insieme, i laboratori hanno lavorato allo sviluppo di un sistema per capire cosa pensano gli animali: un rilevatore di pensiero in tempo reale che potesse misurare l’attività neurale e tradurne il significato.

Come funziona l’interfaccia cervello-macchina

Il sistema utilizza un’interfaccia cervello-macchina, nota come BMI, che fornisce una connessione diretta tra l’attività cerebrale e un dispositivo esterno.
Nel sistema sviluppato dal gruppo di ricerca, la BMI produce una connessione tra l’attività elettrica dell’ippocampo del ratto e la sua posizione in un’arena di realtà virtuale a 360 gradi. L’ippocampo immagazzina mappe mentali del mondo che consentono di ricordare eventi passati e di immaginare scenari futuri. Il richiamo della memoria comporta la generazione di specifici schemi di attività dell’ippocampo legati a luoghi ed eventi. Ma nessuno sapeva se gli animali potessero controllare volontariamente questa attività.

L’IMC consente ai ricercatori di verificare se un ratto può attivare l’attività dell’ippocampo solo per pensare a un luogo nell’arena senza recarvisi fisicamente e, in sostanza può rilevare se l’animale è in grado di immaginare di recarsi in quel luogo.
Una volta sviluppato il sistema, i ricercatori hanno dovuto creare un dizionario del pensiero che permettesse loro di decodificare i segnali cerebrali del ratto. Questo dizionario raccoglie i modelli di attività quando il ratto sperimenta qualcosa, in questo caso i luoghi dell’area VR. Il ratto è imbrigliato nel sistema VR, progettato da Shinsuke Tanaka, post dottorando del Laboratorio Lee. Mentre il ratto cammina su un tapis roulant sferico, i suoi movimenti vengono tradotti sullo schermo a 360 gradi. Il ratto viene premiato quando raggiunge l’obiettivo. Allo stesso tempo, il sistema BMI registra l’attività dell’ippocampo del ratto.
I ricercatori possono vedere quali neuroni si attivano quando il ratto naviga nell’arena per raggiungere ogni obiettivo.

Questi segnali forniscono la base per un IMC in tempo reale, con l’attività dell’ippocampo del cervello tradotta in azioni sullo schermo. Successivamente, i ricercatori hanno scollegato il tapis roulant e premiato il ratto per aver riprodotto il modello di attività dell’ippocampo associato a un obiettivo. In questo compito, chiamato ‘Jumper’, dall’omonimo film del 2008, il BMI traduce l’attività cerebrale dell’animale in movimento sullo schermo della realtà virtuale. Nello specifico, l’animale usa i suoi pensieri per raggiungere la ricompensa, pensando prima a dove deve andare per ottenerla. Questo processo di pensiero è qualcosa che gli esseri umani sperimentano regolarmente. Per esempio, quando ci viene chiesto di andare a fare la spesa in un negozio conosciuto, possiamo immaginare i luoghi che attraverseremo lungo il percorso prima ancora di uscire di casa.
Nel secondo compito, il compito Jedi, un’allusione alla saga di Guerre Stellari, il topo sposta un oggetto in un luogo solo con il pensiero. Il ratto è fissato in un luogo virtuale, ma sposta un oggetto verso un obiettivo nello spazio VR controllando l’attività dell’ippocampo, come una persona seduta in ufficio potrebbe immaginare di prendere una tazza vicino alla macchina del caffè e riempirla di caffè. I ricercatori hanno poi cambiato la posizione dell’obiettivo, chiedendo all’animale di produrre modelli di attività associati alla nuova posizione. La squadra di scienziati ha scoperto che i ratti possono controllare con precisione e flessibilità l’attività dell’ippocampo, come probabilmente fanno gli esseri umani. Gli animali sono anche in grado di sostenere l’attività dell’ippocampo, mantenendo i loro pensieri su un determinato luogo per molti secondi, un lasso di tempo simile a quello in cui gli esseri umani rivivono eventi passati o immaginano nuovi scenari.

«La cosa sorprendente è che i ratti imparano a pensare a quel luogo, e a nessun altro luogo, per un periodo di tempo molto lungo, in base alla nostra nozione, forse ingenua, della capacità di attenzione di un ratto», ha detto Harris. La ricerca, secondo gli autori, dimostra che l’IMC può essere utilizzata per sondare l’attività dell’ippocampo, fornendo un nuovo sistema per studiare questa importante regione cerebrale. «Poichè la BMI è sempre più utilizzata nelle protesi, questo nuovo lavoro apre anche la possibilità di progettare nuovi dispositivi protesici basati sugli stessi principi», concludono i ricercatori.